Uno de los elementos más importantes en los chips fotónicos o chips cuánticos es la guía de ondas ópticas. Sin embargo, debido a las limitaciones de los métodos de fabricación existentes, es complicado producir guías de ondas de manera eficiente con un control de alta precisión de la forma y el tamaño de la sección transversal 3D. Para resolver este desafiante problema, los científicos de la Universidad de Oxford han desarrollado una nueva técnica de fabricación de guías de ondas, que puede producir rápidamente guías de ondas en un chip con secciones transversales 3D controladas con precisión, que también muestran un comportamiento cambiante a lo largo de la guía de ondas. Las guías de ondas se han demostrado con pérdidas muy bajas y son muy prometedoras para chips fotónicos o cuánticos.

Antecedentes

Con el avance de la industria de los semiconductores, el circuito integrado electrónico tradicional se acerca a su límite en ancho de banda y consumo de energía. En comparación con los circuitos integrados electrónicos, los circuitos integrados fotónicos muestran una pérdida de transmisión más baja, un ancho de banda más amplio y un retardo de tiempo más pequeño. Por otro lado, el rápido desarrollo de la tecnología cuántica en las últimas décadas indica que los chips cuánticos prometen reemplazar algunos aspectos de los circuitos integrados electrónicos tradicionales en el futuro.

Es bien sabido que la unidad básica del circuito integrado electrónico es el diodo semiconductor. Al igual que los circuitos integrados electrónicos, los chips optoelectrónicos o chips cuánticos tienen sus propios componentes básicos. Entre estos componentes básicos, la guía de ondas ópticas a escala micrométrica es uno de los elementos más importantes. Basado en el acoplamiento de onda evanescente, las guías de onda ópticas adyacentes pueden realizar un procesamiento de señal programable, lo que proporciona funciones indispensables para los chips cuánticos/fotónicos.

Debido a las limitaciones anteriores en la tecnología de fabricación, las guías de ondas ópticas de tamaño micrométrico se han limitado a secciones transversales cuadradas, elípticas y circulares bidimensionales. En la actualidad, existen opciones tecnológicas limitadas que pueden producir de manera eficiente guías de ondas con baja pérdida y variación precisa de la sección transversal en 3D. Esto impone muchas limitaciones a las funcionalidades y la eficiencia de los chips fotónicos y cuánticos.

La tecnología SPIM-WGs

En un nuevo artículo publicado en Light Science &Application , el Dr. Bangshan Sun, el Prof. Martin J. Booth y un equipo de científicos de la Universidad de Oxford, colaboraron con la Prof. Alina Karabchevsky de Israel, el Prof. Alexander Jesacher de Austria y el Prof. Ian A. Walmsley del Imperial College London , han desarrollado una nueva tecnología denominada "SPIM-WG". Con esta técnica, las guías de ondas ópticas con secciones transversales 3D continuamente variables pueden fabricarse eficientemente en un chip. Las guías de ondas ópticas desarrolladas en base a esta tecnología no solo tienen un rendimiento superior en comparación con las guías de ondas tradicionales, sino que también aportan varias características nuevas, allanando el camino para futuros chips fotónicos y cuánticos.

Basado en la óptica adaptativa, lo más destacado de la tecnología es que puede producir de manera eficiente guías de ondas de baja pérdida con secciones transversales variables, como circulares, cuadradas, anulares o muchas otras formas complicadas. La precisión en el control de la sección transversal en cada eje puede bajar a cientos de nanómetros. Para una sola guía de ondas, la forma de la sección transversal puede variar a lo largo de la propia guía de ondas. Por ejemplo, pueden estar torcidos, variando de cuadrados a circulares, o de circulares a anulares, etc.

Vale la pena mencionar que la guía de ondas presenta pérdidas de transmisión muy bajas durante el cambio preciso de morfología. Basado en el sustrato de vidrio, la guía de ondas tiene una pérdida de transmisión de alrededor de -0,14 dB/cm, lo que significa que solo se pierde alrededor del 3 % de la potencia óptica cuando se transmite 1 cm a través del chip. Los resultados experimentales muestran que la pérdida de transmisión adicional causada por la variación de la sección transversal es casi insignificante.

El costo del tiempo para hacer las guías de ondas también es digno de mención. Por ejemplo, el método tradicional de sílice sobre silicio (SoS) tarda aproximadamente un mes o más en producir guías de ondas desde la preparación. En comparación, los SPIM-WG se pueden producir en cuestión de minutos, lo que proporciona un nivel diferente de flexibilidad en la creación de prototipos y la fabricación.

Potencial de aplicación

La aplicación más importante de SPIM-WG es la conversión de modo óptico. En teoría, los SPIM-WG pueden proporcionar capacidades de conversión de modo óptico para cualquier forma arbitraria, limitadas solo por el tamaño limitado de difracción del foco láser de fabricación. Los SPIM-WG pueden convertir fácilmente entre modos de luz gaussiana, modos de luz elíptica, modos TE01 de doble lóbulo y TE01 de anillo. Estos modos aparecen en una amplia gama de chips optoelectrónicos.

Una de las aplicaciones más importantes en la conversión de modo es entre las guías de onda pp-KTP y la fibra monomodo, puenteando fuentes de luz cuántica y chips cuánticos. En la actualidad, la guía de ondas pp-KTP en la fuente de luz cuántica debe conectarse directamente a una fibra monomodo, que pierde alrededor del 25-30% de la intensidad de la luz. Si se utiliza la guía de onda de conversión de modo hecha por SPIM-WG para el puente, se espera que la pérdida de intensidad de luz se reduzca por debajo del 10 %. Esto mejoraría enormemente la eficiencia de la mayoría de los chips cuánticos.

Además, en función de la funcionalidad de conversión de modo, los SPIM-WG se pueden conectar a una fibra monomodo con una eficiencia de acoplamiento de hasta el 95 %. Esto permite que los dispositivos SPIM-WG se combinen fácilmente con la mayoría de los dispositivos fotónicos existentes.

Se encuentra que las guías de ondas con secciones transversales rectangulares torcidas a 90 grados pueden incluso usarse para controlar la polarización de la luz. Esto también es una gran promesa para muchas aplicaciones fotónicas y cuánticas. + Explora más

Control de estados mecánicos no clásicos en una arquitectura de guía de onda fonónica